EP2823247A1 - Druckspeicherkraftwerk wobei der waermespeicher in einer ueberdruckzone angeordnet ist - Google Patents

Abstract

Druckluftspeicherkraftwerk mit einem Druckspeicher (2) für unter Druck zu speicherndem Gas und mit einem Wärmespeicher (27) für die Speicherung der während der Beschickung des Druckspeichers (2) angefallenen Kompressionswärme, wobei der Wärmespeicher (27) seinerseits betriebsfähig in einer Überdruckzone (31) angeordnet ist. Diese Anordnung erlaubt, einen konstruktiv einfachen Wärmespeicher vorzusehen, da dieser nicht durch den Druck des ihn durchmessenden Gases beansprucht wird.

Description

DRUCKSPEICHERKRAFTWERK WOBEI DER WAERM ESPEICH ER IN EINER UEBERDRUCKZONE ANGEORDNET IST

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Druckspeicherkraftwerk nach dem Oberbegriff von An- spruch 1. Druckspeicherkraftwerke der genannten Art dienen der Speicherung von Energie in der Art eines Pumpspeicherkraftwerks: in Schwachlastzeiten wird Energie gespeichert, die in Zeiten hoher Energienachfrage wieder verfügbargemacht wird.

Energiespeicherung ist in der konventionellen Energieproduktion etabliert. Sie wird nun auch zunehmend für die alternative Energieproduktion benötigt, sei dies beispielsweise Sonnenenergie oder Windenergie, die von den lokalen Wetterverhältnissen am Ort eines Kraftwerks determiniert ist und damit schlecht oder nicht auf den aktuellen Energiebedarf im angeschlossenen Netz ausgelegt werden kann. Ein Ausbau der vielerorts vorhandenen Pumpspeicherkraftwerke setzt einerseits eine entsprechende Geografie (Berge) voraus, stösst aber auch dort zunehmend auf politischen Widerstand, da die Anlage grösserer Speicherbecken oft unter dem Gesichtspunkt des Landschaftschutzes kritisch beurteilt wird.

Möglichkeiten zur Energiespeicherung sind deshalb nicht nur in der alternativen Energieerzeugung auf Grund der nicht oder schwer planbaren Energieproduktion, sondern auch in der konventionellen Energieerzeugung vermehrt nachgefragt.

In Druckspeicherkraftwerken wird in Schwachiastzeiten erzeugte Energie für die Verdichtung von Gas, vorwiegend Umgebungsluft (in der nachstehenden Beschreibung der Erfindung wird der Begriff "Luft" verwendet, obschon natürlich verschiedenste Gase erfindungsgemäss ein- gesetzt werden könnten), verwendet, und dann das unter Druck stehende Gas in einem Druckspeicher gespeichert. Die im gespeicherten Druckgas über seinen Druck gespeicherte Energie kann wiederverwendet werden, indem Druckgas aus dem Speicher entnommen und zum Antrieb einer Expansionsturbine verwendet wird, welche ihrerseits beispielsweise einen Generator antreibt. Dieses Konzept ist als CAES d.h. Compressed Air Energy Storage bekannt. Solche Anlagen sind zwar auch an geologische Voraussetzungen gebunden, die in gebirgigen Gegenden günstig sind. Aber auch in der Ebene sind oft geologische Formationen vorhanden, die erlauben, grössere Druckspeicher im Untergrund anzulegen. Im Ergebnis sind Druckspeicherkraftwerke gegenüber beispielsweise Pumpspeicherkraftwerken vielerorts realisierbar. Durch die Verdichtung von Luft zum Zweck der Speicherung von komprimierter Luft erhitzt sich diese, so dass ein erheblicher Anteil der Verdichtungsarbeit als Wärme anfällt (bis zu 7096 der gesamten durch die Verdichter aufgebrachten Energie) . Diese Wärme wird in einem Wärmespeicher gespeichert und rekuperiert, indem sie bei der Wiederverwendung der unter Druck gespeicherten Luft dieser vor dem Eintritt in eine Expansionsturbine wieder zugegeben wird (TES, d.h. Thermal Energy Storage)

Die Verdichtung der Luft, sowie deren Entspannung zur Wiederverwendung der gespeicherten Energie, kann grundsätzlich einstufig oder mehrstufig erfolgen. Als Druckspeicher dient in der Regel eine Kaverne im Untergrund oder in einem Berg. Dadurch ist der Weg zur Speicherung sehr grosser Energiemengen offen, da Kavernen, beispielsweise in Salzgestein oder in anderen geologischen Formationen, mit einem Volumen von mehreren Hunderttausend bis zu einer Million oder mehr Kubikmeter ausgebildet sein können. Bis heute sind zwei Druckluftspeicherkraftwerke im Betrieb, das Kraftwerk Huntdorf in Deutschland und das Kraftwerk Mclntosh in den USA. Mclntosh wurde 1991 in Betrieb genommen, speichelt Luft in einer als Druckspeicher ausgebildeten unterirdischen Kaverne von 538*000 m³ und ist in der Lage, während 26 Stunden 110 MW bereit zu stellen. Weitere Druckluftspeicherkraftwerke sind geplant, beispielsweise das Kraftwerk Stassfurt.

Bei der Realisierung solcher Kraftwerke stellen sich verschiedene technische Probleme.

So offenbart beispielsweise US 2011/0094231 eine Schaltung der mehrstufigen Verdichterund Turbinenanordnung mit mehreren Wärmespeichern (TES) für einen Druck von 60 bar im Druckspeicher. Dabei sind die Verdichter und Turbinen mit den Wärmespeichern derart zu- sammengeschaltet, dass die Spitzentemperatur in den Wärmespeichern an Stelle der bei konventioneller Schaltung zu erwartenden 650 °C eine Temperatur von 300 °C nur unwesentlich überschreitet. Dadurch werden erhebliche konstruktive Probleme beim Bau einer für Betriebstemperaturen von über 350 °C geeigneten Anlage (insbesondere des Wärmespei- chers) vermieden. Zudem soll dadurch der Wirkungsgrad über der einzelnen Verdichter- bzw. Turbinenstufe verbessert werden.

US 2011/0127004 zeigt eine Konstruktion eines Wärmespeichers für eine Schaltung der Verdichter die zu einer Temperatur von 600 °C und einem Druck von 60 bis 80 bar in der zu spei- chernden Luft führt. Diese Anordnung ist jedoch konstruktiv nach wie vor aufwendig, da der Wärmespeicher zwar reduziert, aber im Betrieb immer noch für erheblichen Innendruck druckbelastbar ausgebildet sein muss. Insbesondere für grosse Druckspeicher (und damit für die Speicherung grosser Wärmemengen) ist die offenbarte Konstruktion nicht optimal und für eine kommerzielle Realisierung immer noch bei weitem zu aufwendig.

Entsprechend ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein konstruktiv einfaches Druckspeicherkraftwerk zu schaffen, das eine Speicherung von Wärme bei hoher Temperatur, vorzugsweise über 500 °C, zulässt.

Diese Aufgabe wird durch ein Druckspeicherkraftwerk gemäss den kennzeichnenden Merkmalen von Anspruch 1 und gemäss den kennzeichnenden Merkmalen von Anspruch 12 gelöst. Dadurch, dass der Wärmespeicher seinerseits betriebsfähig in einer Überdruckzone angeordnet ist, kann er für einen Betrieb ohne nennenswerte Druckdifferenz zwischen der ihn durchströmenden, komprimierten Luft und dem ihm gegenüber wirkenden Umgebungsdruck ausgelegt, d.h. erheblich einfacher und kostengünstiger konstruiert werden. Bei Druckspeicherkraftwerken steht eine Überdruckzone am Ort des Druckspeichers gewissermassen po- tentiell zur Verfügung, so dass deren Erstellung für den Wärmespeicher im Sinn der vorliegenden Erfindung konstruktiv ausgesprochen einfach ist. Damit entfallen die bis heute bei der Planung von Druckspeicherkraftwerken gegebenen, erheblichen Probleme im Hinblick auf die Konstruktion und Realisierung des Wärmespeichers weitgehend. Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Wärmespeichers mit einer Trockenfülfung aus Wärme speicherndem Schüttgut, der geneigte Seitenwände aufweist, kann der Expansionsdruck des Schüttguts bei dessen Erwärmung bis über beispielsweise 600 °C so weit gesenkt werden, dass der Wärmespeicher mit konventionellen Mitteln einfach herstellbar ist. Werden die geneigten Seitenwände gemäss einer weiteren Ausführungsform ihrerseits durch ei- ne Schüttung von stabilisierendem Schüttgut gestützt, müssen diese nur noch im Sinn einer Sicherheit auf einen im Wärmespeicher herrschenden Innendruck {Expansionsdruck des Schüttguts) dimensioniert werden. Dadurch, dass bei dem erfindungsgemässen Verfahren der Druck in der Überdruckzone während der Beschickung des Druckspeichers auf dem Niveau des verdichteten Gases und während der Entnahme von gespeichertem Druckgas auf dem Niveau des entnommenen Gases gehalten wird, kann der Wärmespeicher ohne Beanspruchung durch den entsprechenden In- nendruck für verschiedenen Betriebsdruck in der ihn durchfiiessenden Luft verwendet und damit mit den jeweiligen Verdichter- und Expansionsstufen eines konkreten Druckspeicherkraftwerks optimal geschaltet werden.

Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 schematisch einen Querschnitt durch ein Bergmassiv mit der erfindungsgemässen Anordnung des Wärmespeichers,

Fig. 2 ein Schema eines erfindungsgemässen Druckluftspeicherkraftwerks mit einem Sekundärwärmespeicher,

Fig. 3 schematisch eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäss in einer Überdruckzone eingesetzten Wärmespeicher,

Fig. 4 das Schema von Figur 2 mit bei den jeweiligen Komponenten eingetragenen Werten für Druck und Temperatur, und Fig. 5 das Schema von Figur 2, wobei jedoch ein modifizierter Sekundärwärmespeicher Verwendung findet.

Figur 1 zeigt einen Querschnitt durch einen Felsen 1 mit einer in diesem angelegten, als Druckspeicher 2 ausgebildeten Kaverne, für unter Druck gespeichertes Gas, hier Luft. Weiter ersichtlich ist ein Maschinenhaus 3, das über eine Stromleitung 4 mit einem Stromnetz 5 verbunden ist. Im Maschinenhaus 3 ist eine in der Figur nur schematisch dargestellte Verdichterund Turbinenanordnung 6 vorhanden. Von dieser aus führen Druckluftleitungen 7 durch einen Zugangsstollen 8 zu einem Wärmespeicher 9, welcher in einem abgetrennten Raum 10 der Kaverne bzw. des Druckspeichers 2 angeordnet ist. Erfindungsgemäss kann der Raum 10 im Betrieb des Druckspeicherkraftwerks unter Druck gesetzt werden und bildet damit eine Überdruckzone neben dem Druckspeicher 2.

Die Kaverne für den Druckspeicher 2 kann in irgend einer geeigneten geologischen Formation wie in einem Gebirgsmassiv oder in der Ebene im Untergrund liegen, sie kann auch beispielsweise aus einem stillgelegten Eisenbahntunnel bestehen. Im Fall eines Tunnels ist es besonders einfach, einen Tunnelabschnitt als Überdruckzone abzutrennen.

Der Raum 10 des Wärmespeichers 9 ist in der dargestellten Ausführungsform vom Druck- Speicher 2 durch eine Trennwand 11 getrennt (er könnte aber auch von diesem entfernt an einem anderen geeigneten Ort vorgesehen werden), wobei in der Trennwand 11 eine zuschaltbare bzw. verschliessbare Verbindung 12 vorgesehen ist, mit der zwischen dem Druckspeicher 2 und der Überdruckzone, d.h. hier dem Raum 10, ein Druckausgleich hergestellt werden kann. Durch die Trennwand 11 verläuft weiter eine Druckluftleitung 13 vom Wärme- Speicher 9 in den Druckspeicher 2. Weiter ist eine Leitung 16 vorgesehen, über die via die Leitungen 7 in den Wärmespeicher eingebrachte, abgekühlte Druckluft direkt in den Raum 10 gelangen kann.

Der Raum 10 ist hier gegenüber der Aussenwelt über eine äussere Trennwand 14 druckdicht abgetrennt. Schliesslich mag noch ein Tor 15 vorgesehen sein, das den Zugangsstollen 8 ver- schliesst.

Mit anderen Worten zeigt Figur 1 ein Druckluftspeicherkraftwerk mit einem Druckspeicher für unter Druck zu speicherndem Gas und mit einem Wärmespeicher für die Speicherung der während der Beschickung des Druckspeichers angefallenen Kompressionswärme, wobei der Wärmespeicher seinerseits betriebsfähig in einer Überdruckzone angeordnet ist.

Diese Anordnung erlaubt über das Stromnetz 5 die Verdichter der Verdichter- und Turbinenanordnung 6 anzutreiben, Luft zu beispielsweise adiabat zu verdichten und mit dieser er- wärmten Luft den Wärmespeicher 9 zu beschicken, in welchem die zugelieferte Luft beispielsweise auf Umgebungstemperatur (20 °C) abgekühlt wird, und von welchem aus sie abgekühlt in den Druckspeicher 2 gefangt, so lange, bis der Druckspeicher 2 gefüllt ist, d.h. seinen maximalen Betriebsdruck von hier 80 bis 100 bar erreicht hat. Dabei können die Verdichter so betrieben werden, dass die Luft laufend derart verdichtet wird, dass ihr Druck ver- gleichsweise wenig oberhalb dem aktuellen Druck im Druckspeicher 2 liegt, und damit dessen Füllung optimal verläuft.

Während der Schwachlastzeiten im Stromnetz kann so Energie gespeichert werden. Die Spei- cherung der Energie erfolgt einerseits Ober den Druck der gespeicherten Luft und andererseits über die im Wärmespeicher 9 gespeicherte Wärme.

Bei der Speicherung von Energie wird der Wärmespeicher 9 von unter erheblichem Druck stehender Luft durchströmt, wie oben erwähnt bis hin zum maximalen Betriebsdruck im Druckspeicher 2, hier bis zu einem Bereich von 80 bis 100 bar oder mehr. Würde der Wärmespeicher 9 gemäss dem Stand der Technik in einer Zone mit normalem Umgebungsdruck angeordnet, müsste er auf einen Innendruck in der genannten Grösse ausgelegt werden, was erhebliche konstruktive Probleme und auf jeden Fall für einen kommerziellen Betrieb zu hohe Kosten mit sich bringt.

Erfindungsgemäss wird der Wärmespeicher 9 nun in einem als Überdruckzone ausgebildeten Raum 10 angeordnet, wobei im Betrieb des Druckspeicherkraftwerks im Raum 10 ein Überdruck erzeugt wird, der dem Druck der den Wärmespeicher 9 durchströmenden, komprimierten Luft entspricht. Der Überdruck in der Überdruckzone ist einfach herstellbar: es ge- nügt, während der Beladung des Druckspeichers 2 die zuschaltbare Verbindung 11 zwischen dem Druckspeicher 2 und dem Raum 9 offen zu halten, so dass laufend ein Druckausgleich zwischen dem Raum 9 und dem Druckspeicher 2 stattfindet. Das im Vergleich zum Druckspeicher 2 kleine Volumen des Raums 10 führt beim öffnen der Verbindung 11 zu einem nur unwesentlichen Druckabfall im Druckspeicher 2, somit zu einem unwesentlichen bzw. wohl nur rechnerisch relevanten Verlust der gespeicherten Energie.

Insofern ist es wenigstens bei einer einstufigen Verdichter- und Turbinenanordnung erfindungsgemäss auch möglich, den Wärmespeicher 9 im Druckspeicher 2 selbst anzuordnen, also die Trennwand 11 weg zu lassen.

Damit ist die Überdruckzone für einen Lade-Betriebsdruck ausgelegt, der einem Lade- Betriebsdruck im Druckspeicher entspricht. Andererseits ist es auch möglich, die Verbindung 11 geschlossen zu halten und dadurch im Raum 9 einen Betriebsdruck unabhängig von demjenigen im Druckspeicher 2 aufrecht zu erhalten. Dies kann beispielsweise über die Leitung geschehen, wenn hinter dem Wärmespeicher 9 noch eine weitere Verdichtungsstufe für die zu speichernde Luft vorgesehen ist (s. da- zu weiter unten).

Generell gilt damit, dass im Raum 10 der Betriebsdruck jederzeit auf dem Niveau eingestellt werden kann, der dem aktuellen Druck in der Leitung 7 und damit im Wärmespeicher 9 entspricht. Druckluft dafür steht aus dem Betrieb der Verdichter jederzeit zur Verfügung und kann nicht nur vom Druckspeicher 2 her, sondern, wie erwähnt, auch über die Leitung 16 in den Raum 10 gelangen. Zur Entlastung der Figur ist in dieser eine weitere Leitung weggelassen, die den Raum 10 mit der Aussenwelt verbindet und über die im Raum 10 herrschender Druck bis hinunter auf Umgebungsdruck abgebaut werden kann. Soll nun gespeicherte Energie zurückgewonnen werden, durchfliesst die unter Druck gespeicherte Luft vom Druckspeicher 2 her via die Leitung 13 den Wärmespeicher 9 zurück, wird dort erwärmt, fliesst als heisse Druckluft durch die Leitung 7 weiter zurück in die Verdichterund Turbinenanordnung 6, wo sie über die Turbinen einen Generator antreibt, der über die Stromleitung 4 Strom ins Netz 5 zurückspeist.

Figur 2 zeigt ein Schema einer bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemässen Druckluftspeicherkraftwerks, bei dem, wie oben erwähnt, hinter dem Wärmespeicher 9 eine weitere Verdichtungsstufe vorgesehen ist. Dargestellt ist eine Zufuhrleitung 20 für unter Druck zu speichernder Luft, sowie eine zweistufige Verdichteranordnung mit einem ersten Verdichter 21 und einem zweiten Verdichter 22. Weiter dargestellt ist eine zweistufige Turbinenanordnung mit einer ersten Turbine 23 und einer zweiten Turbine 24. Über eine Austrittsleitung 25 wird die aus dem Druckspeicher 2 entnommene Luft wieder an die Umweit abgegeben.

Ein Wärmespeicher 27 ist über zum Druckspeicher 2 führende Druckleitungen 28,29 betriebsfähig zwischen den ersten und den zweiten Verdichter 21,22 geschaltet. Der zweite Verdichter 22 ist über eine weitere Druckleitung 30 mit dem Druckspeicher 2 verbunden. Der Wärmespeicher 27 ist wiederum Ober vom Druckspeicher weg führende Leitungen 35,36 zwischen den Druckspeicher 2 und die erste Turbine 23 geschaltet.

Erfindungsgemäss befindet sich der Wärmespeicher 27 in einer Überdruckzone 31, bei- spielsweise im Raum 10 von Figur 1. Zur Entlastung der Figur ist die Überdruckzone 31 nur gestrichelt angedeutet. Dabei ist hier der Wärmespeicher 27 derart ausgebildet, dass er von der jeweils zugeführten Druckluft frei durchströmt werden kann, mit der Folge, dass sein Innendruck dem Druck der ihn durchströmenden Luft entspricht, und dass entsprechend aufwendige und den Wärmeübergang erschwerende Druckleitungen für die durchströmende Luft entfallen. Wie oben erwähnt, wird dann erfindungsgemäss der Überdruck in der Überdruckzone 31 derart eingestellt, dass er dem aktuellen Druckniveau der den Wärmespeicher 27 durchströmenden Luft entspricht.

Die erste Turbine 23 ist mit der zweiten Turbine 24 Ober eine vom Druckspeicher 2 weg füh- rende Druckleitung 37 verbunden.

Ein Sekundärwärmespeicher 40 ist mit Hilfe von Wärmetauschern 41,42 über einen Sekundärkreislauf, bestehend aus den Leitungen 43,44, einerseits mit der Leitung 37 und andererseits mit der Leitung 30 betriebsfähig verbunden.

Figur 3 zeigt schematisch eine bevorzugte AusfQhrungsform eines Wärmespeichers 27 im Querschnitt, angerordnet in der Überdruckzone 31. Zur Entlastung der Figur sind hier nur die Leitungen 28,29 (Figur 2) eingezeichnet, alle anderen Leitungen etc. jedoch weggelassen, so die Leitungen 35,36 (Figur 2), ebenso weitere Leitungen, wie beispielsweise die Leitung 16 (Figur 1). Wesentlich ist hier, dass der Wärmespeicher 27 eine Trockenfüllung von Schüttgut 46 aufweist, das von mit Wärme beladener, zum Druckluftspeicher 2 geförderter Druckluft beispielsweise von oben nach unten durchströmt werden kann und so das Schüttgut von oben nach unten, schichtweise, aufheizt. Durch die Wärmeexpansion des Schüttguts übt dieses Druck auf die Wände 47 des Wärmespeichers 27 aus. Da die Wände 47 sich (beispielswei- se in der Art eines umgekehrten Kegelstumpfs) gegen oben erweitem (d.h. dass sich der Schüttgutbehälter gegen oben erweitert), ist der Gegendruck (Kraftvektor 48) der Wände 47 auf das Schüttgut 46 nicht horizontal, sondern etwas gegen oben gerichtet, mit der Folge, dass dessen Horizontalkomponente 49 dem Expansiorisdruck des Schüttguts 46 widersteht und eine Vertikalkomponente 50 dieses etwas nach oben drückt. Dadurch rutschen Teile des Schüttguts 46 erleichtert gegen oben, wo durch die Verbreiterung des Wärmespeichers 27 etwas mehr Raum für das sich verschiebende Schüttgut 46 zur Verfügung steht, was damit den Expansionsdruck des Schüttguts 46 gegen die Wände 47 entscheidend reduziert. Es ergibt sich, dass der Wärmespeicher 27 erfindungsgemäss einmal aufgrund des durch die Überdruckzone 31 anpassbaren Aussendrucks keiner (oder nur unwesentlicher) Druckbeanspruchung durch das durch ihn hindurch geförderte Druckgas ausgesetzt ist. Weiter ergibt sich, dass die durch die Wärmeexpansion entstehende Druckbeanspruchung der Wände gegenüber dem bei den vorgesehenen Temperaturen möglichen Expansionsdruck wesentlich reduziert ausfällt. Ein auf diese Art vergleichsweise schwach beanspruchter Wärmespeicher 27 mit sich gegen oben erweiternden Wänden ist deshalb besonders einfach zu konstruieren und herzustellen.

Bei einer weiteren, in der Figur nur angedeuteten Ausführungsform ist die Seitenwand des Wärmespeichers gegen aussen durch eine gestrichelt dargestellte Anhäufung 48 von Schüttgut gestützt, das vorzugsweise verdichtet ist. Ohne dadurch die Überdruckzone zu füllen ergibt sich damit eine beträchtliche Stützung der Seitenwände, da angehäuftes und eventuell verdichtetes Schüttgut durch die innere Verkeilung der Schüttgutpartikel hohe Belastungen aufnehmen kann. Das angehäufte Schüttgut kann weiter durch eine äussere Wand 49 (die ebenfalls nur gestrichelt angedeutet ist) gegen aussen abgestützt sein. Durch die oben erwähnte innere Verkeilung der Schüttgutpartikel muss diese äussere Wand 49 keine hohen Belastungen aufnehmen, auch wenn der Expansionsdruck des Schüttguts 46 im Wärmespeicher 27 beträchtlich ist. Diese Abstützung durch die Anhäufung 48 von äusserem, stutzendem Schüttgut führt zu einer weiter reduzierten Beanspruchbarkeit der Seitenwände 47 des Wärmespeichers 27. Insbesondere werden dann die Seitenwände durch den Expansionsdruck des Schüttguts nur noch reduziert auf Zug (in Umfangsrichtung) und hauptsächlich auf Druck (in radialer Richtung) beansprucht. Letztlich wird dadurch ermöglicht, die Seitenwände 47 aus Betonelemen- ten herzustellen, was eine besonders kostengünstige Herstellung des Wärmespeichers 27 erlaubt.

Es ergibt sich, dass die erfindungsgemässe Anordnung des Wärmespeichers in einer Überdruckzone überhaupt erst erlaubt, Wärmespeicher einfacher Konstruktion (d.h. auch Wär- mespeicher anderer Art, als in Figur 3 gezeigt) bei hohem Druck des die Wärme transportierenden Gases vorzusehen. Über die gestellte Aufgabe hinaus wird bevorzugt ein Wärmespeicher mit einer Trockenfüllung von Schüttgut verwendet, dessen Wände sich gegen oben erweitern und so im Betrieb den bei hohen Temperaturen für die Konstruktion des Wärme- Speichers relevant werdenden thermischen Expansionsdruck des Wärme speichernden Schüttguts erheblich vermindern. Zwischen diesen Konzepten (Überdruckzone und sich erweiternde Wände) besteht Synergie.

Figur 4 zeigt das Schema von Figur 2, wobei zur einfacheren Erläuterung der Verhältnisse Druck und Temperatur im Betrieb der dargestellten Ausführungsform jeweils bei den verschiedenen Komponenten direkt eingetragen sind.

Für die Speicherung von Energie werden die vom Druckspeicher 2 weg führenden Leitungen 35,36 sowie die Leitung 43 geschlossen, und die notwendigen anderen Leitungen geöffnet. In der Zufuhrleitung 20 herrschen Umgebungsbedingungen, hier 1 bar/20 °C. Nach dem ersten Verdichter 21 herrschen in der zum Wärmespeicher 27 führenden Leitung 33 bar/550 °C. Entsprechend wird in der Überdruckzone 31 ein Druck von 33 bar eingestellt, so dass der Wärmespeicher 27 keiner (oder nur einer geringen) Druckbelastung ausgesetzt ist. Bei schon weitgehend gefülltem Druckspeicher 2 ergibt sich, dass in der Überdruckzone 31 ein Lade- Betriebsdruck herrscht, der kleiner ist als ein aktueller Druck im Druckspeicher 2.

Beim Durchgang durch den Wärmespeicher 27 kühlt sich das Druckgas ab, so dass in der zum zweiten Verdichter 22 führenden Leitung 2933 bar/20 °C herrschen. Nach dem zweiten Verdichter 22 wird das Druckgas mit 90 bar/100 °C in die Leitung 30 gefördert und beim Durch- gang durch den Wärmetauscher 42 auf 20 °C abgekühlt, so dass der Druckspeicher 2 mit Luft von 90 bar/20 °C beladen wird.

Die durch den Wärmetauscher 42 abgenommene Wärme wird über den Sekundärkreislauf in der Leitung 44 im Sekundärwärmespeicher 40 gespeichert, der entsprechend eine obere Be- triebstemperatur von 100 °C besitzt. Damit ist es möglich, hier als Wärme speicherndes Material Wasser zu verwenden.

Für die Entnahme von Energie werden die zum Druckspeicher 2 hin führenden Leitungen 20,28,29,30,40 geschlossen und die vom Druckspeicher weg führenden Leitungen 35,36,37,25 geöffnet, ebenso die zwischen dem Sekundärwärmespeicher 40 und dem Wärmetauscher 41 liegende Leitung 43.

In der aus dem Druckspeicher 2 hinaus führenden Leitung 35 herrschen 90 bar/20 °C, nach dem Durchgang durch den Wärmespeicher 27 liegen in der Leitung 3690 bar/550 °C vor. Hier ist anzumerken, dass in dieser Betriebsphase der Überdruck in der Überdruckzone 31 auf einfache Weise durch Druckausgleich zwischen dem Druckspeicher 2 und der Überdruckzone 31 hergestellt wird (beispielsweise Ober eine zuschaltbare Leitung 12, s. Figur 1). über der ersten Turbine 23 fallen Druck und Temperatur auf 5 bar/20 °C, wobei nach den Wärmetauscher 41 in der Leitung 37 5 bar/100 °C vorliegen, die sich nach der Turbine 24 auf die Umgebungswerte 1 bar/20 °C reduziert haben. Der Wärmetauscher 41 wird vom Sekundärwärmespeicher 40 über den Sekundärkreislauf in der Leitung 43 mit Wärme versorgt. Die oben angegebenen Werte sind rechnerische Werte geeignet ausgelegter Komponenten in einer Phase, in der der Druckspeicher 2 maximal beladen ist und in der von der Speicherung von Energie zur Rückgewinnung gewechselt wird. Der Fachmann kann gestützt auf die vorliegende Beschreibung die Betriebsparameter für jeden Betriebszustand des Druckspeicherkraftwerks leicht festlegen. Überdies kann der Fachmann für ein konkretes Kraftwerk ei- ne Schaltung der Verdichter- und Turbinenanordnung leicht festlegen und dabei auch die für die Überdruckzone 31 anwendbaren Werte bestimmen.

Figur 5 zeigt die Anordnung gemäss der Figuren 2 und 4, wobei jedoch ein Sekundärwärmespeicher 50 vorgesehen ist, der sich in einer Sekundär-Überdruckzone 51 befindet. Dadurch lassen sich auf einfache Weise auch im Sekundär-Wärmespeicher Temperaturen höher als 100 °C speichern, was je nach der konkreten Auslegung eines Druckspeicherkraftwerks erwünscht sein kann. Die Ausbildung der Sekundär-Überdruckzone 51 kann durch den Fachmann leicht analog zur Ausbildung des Raums 10 (Figur 1} konzipiert werden. Es versteht sich, dass auf Grund einer konkreten Ausführungsform des erfindungsgemässen Druckspeicherkraftwerks einander entsprechende Druckniveaus wie beispielsweise der Druck in der Überdruckzone und der Druck des den Wärmespeicher durchfliessenden Druckgases nicht gleich sein müssen, sondern im Rahmen einer Toleranz verschieden sein können. Ebenso kann ein gewisser Druckunterschied aus irgend einem Grund gewollt sein (beispielsweise Strömungswiderstände stromabwärts) oder in Kauf genommen werden. Immer noch kann dann erfindungsgemäss der Wärmespeicher einfach konstruiert werden, da er nicht auf die grosse Druckdifferenz zwischen dem Betriebsdruck des durchströmenden Druckgases und dem Aussendruck, sondern nur auf einen Bruchteil dieses Druckunterschieds ausgelegt sein muss.

Claims

Patentansprüche

1 . Druckluftspeicherkraftwerk mit einem Druckspeicher (2) für unter Druck zu speichern- dem Gas und mit einem Wärmespeicher (27) für die Speicherung der während der Beschickung des Druckspeichers (2) angefallenen Kompressionswärme, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (27) seinerseits betriebsfähig in einer Überdruckzone (31) angeordnet ist.

2. Druckluftspeicherkraftwerk nach Anspruch 1, wobei die Überdruckzone (31) unter einen Lade-Betriebsdruck gesetzt werden kann, der einem Lade-Betriebsdruck im Druckspeicher (2) entspricht.

3. Druckluftspeicherkraftwerk nach Anspruch 1 oder 2, wobei zwischen der Überdruckzone (31) und dem Druckspeicher (2) eine zuschaltbare Verbindung (12) für Druckausgleich zwischen der Überdruckzone (31) und dem Druckspeicher (2) vorgesehen ist.

4. Druckspeicherkraftwerk nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Überdruckzone (31) unter einen Lade-Betriebsdruck gesetzt werden kann, der kleiner ist als ein aktueller Druck im Druckspeicher (2).

5. Druckspeicherkraftwerk nach Anspruch 1, wobei der Wärmespeicher (27) eine Trockenfüllung von Schüttgut (46) und eine dieses umschiiessende Seitenwand (47) aufweist, die in einem Neigungswinke! gegenüber der Vertikalen geneigt ist, derart, dass sich der Schüttgutbehälter gegen oben erweitert.

6. Druckspeicherkraftwerk nach Anspruch 1 oder 5, wobei der Wärmespeicher (27) eine Füllung von Schüttgut (46) und eine dieses umschiiessende Seitenwand (47) aufweist, und wobei die Seitenwand (47) zur Aufnahme des Betriebsdrucks des Wärme spei- chernden Schüttguts (46) ihrerseits gegen aussen an einem stützenden Schüttgut (48) abgestützt ist.

7. Druckiuftspeicherkraftwerk nach Anspruch 1 mit einer Verdichteranordnung, einer Turbinenanordnung und mit einer Anordnung von Verbindungsleitungen, wobei für die Speicherung von Druckgas durch die Verbindungsleitungen (28 bis 30) die Verdichteranordnung über den Wärmespeicher (27) mit dem Druckspeicher (2) oder für die Rekupe- ration gespeicherter Wärme durch weitere Verbindungsleitungen (35 bis 37) der Druckspeicher (2) über den Wärmespeicher (27) mit der Turbinenanordnung betriebsfähig verbunden werden kann.

8. Druckluftspeicherkraftwerk nach Anspruch 7, wobei die Anordnung von Verbindungsleitungen eine Druckausgleichsleitung (12) aufweist, die für einen Betrieb der Überdruckzone (31) und dem Druckspeicher (2) auf gleichem Druckniveau zwischen diesen zuge- schaltet und für den Betrieb auf verschiedenem Druckniveau zwischen diesen unterbrochen werden kann.

9. Druckspeicherkraftwerk nach Anspruch 7, wobei die Turbinenanordnung mehrstufig ausgebildet und ein Sekundärwärmespeicher (50) in einer Sekundär-Überdruckzone (51) vorgesehen ist, der vorzugsweise mit der letzten Stufe (24) der Turbinenanordnung betriebsfähig verbunden ist, derart, dass diese mit aus dem Sekundärwärmespeicher (50) rekuperierter Wärme betrieben werden kann.

10. Druckspeicherkraftwerk nach Anspruch 7, wobei die Verdichteranordnung mehrstufig ausgebildet und ein Sekundärwärmespeicher (50) in einer Sekundär-Überdruckzone (51) vorgesehen ist, der mit der letzten Verdichterstufe (22) betriebsfähig verbunden ist, derart, dass durch deren Verdichtung entstandene Kompressionswärme im Sekundär- Wärmespeicher (27) gespeichert werden kann.

11. Druckspeicherkraftwerk nach Anspruch 1 oder 7, wobei ein Sekundärwärmespeicher (40) vorgesehen ist, der als Wärme speicherndes Medium Wasser aufweist.

12. Verfahren zur Speicherung von Energie in Form von unter Druck gespeichertem Gas in einem Druckspeicher (2), wobei das Gas für die Speicherung verdichtet, die bei der Ver- dichtung des Gases anfallende Wärme in einem Wärmespeicher (27) gespeichert und nach der Speicherung für die Verwertung des gespeicherten Gases diesem wieder zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet dass der Wärmespeicher (27) in einer Überdruckzone (31) angeordnet und in dieser der Überdruck während der Beschickung des Druckspeichers (2) auf dem aktuellen Druckniveau des den Wärmespeicher (27) durchflles- senden, verdichteten Gases und während der Entnahme von gespeichertem Druckgas auf dem aktuellen Druckniveau des den Wärmespeicher (27) durchfliessenden, dem Druckspeicher (2) entnommenen Gases eingestellt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Verdichtung des Gases für dessen Speicherung und die Entspannung des gespeicherten Gases für die Rückgewinnung von Energie je mehrstufig erfolgt, und wobei ein Sekundär-Wärmespeicher (50) in einer Sekundärüberdruckzone (51) vorgesehen ist, der bei der Verdichtung des Gases vorzugsweise nach der letzten Verdichtungsstufe von diesem Wärme aufnimmt, die Wärme bis zur Wiederverwendung des gespeicherten Gases speichert und bei der Wiederverwendung wieder an das Gas abgibt, wobei die Sekundär-Überdruckzone jeweils auf dem aktuellen Druckniveau des sie durchfliessenden Gases gehalten wird.